Erime enerjisi formülü. Özgül füzyon ısısı çok ilginç

2. Hangi sıcaklığa kritik denir?

3. Hangi etkiye izotopik denir? Süperiletkenliği açıklamanın anahtarı neden izotop etkisidir?

4. Bir süperiletkendeki elektronların hareketinin doğası, bir iletkendeki hareketinden nasıl farklıdır? Bir süper iletkendeki Cooper çiftlerinin hareketi mekanik olarak nasıl modellenebilir?

5. Kritik değerlerin üzerindeki sıcaklıklarda süperiletkenlik neden kaybolur? Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin umut verici gelişimini ne açıklıyor?

TYUMEN DEVLET ÜNİVERSİTESİ

MOLEKÜLER FİZİK BÖLÜMÜ

KRİTİK SICAKLIK TAYİNİ

I. Kısa teori

§ 1. Gerçek gazlar.

Clapeyron-Mendeleev durum denklemi, gazların deneysel olarak bilinen özelliklerini oldukça iyi açıklar. Ancak bu yaklaşıktır ve yalnızca yeterince düşük basınçlarda geçerli olduğu ortaya çıkar. Ek olarak, deneyimler belirli basınç ve sıcaklık değerlerinde gazların yoğunlaştığını göstermektedir; sıvı duruma gelir. Clapeyron-Mendeleev denklemi bu olguyu açıklamamaktadır. için izoterm gerçek gaz aynı zamanda var karakteristik görünüm(Şekil 1).

ABCD yönünde gerçekleştirilen bu grafiğe karşılık gelen süreci ele alalım. AB izoterminin bir kısmı, yoğunlaşma başlamadan önce gazın sıkıştırılma sürecini tanımlar. Clapeyron-Mendeleev denklemi (noktalı çizgiyle gösterilmiştir) kullanılarak hesaplanan izoterm ile oldukça iyi örtüşebilir. Ancak gerçek bir madde ile belirli bir basınçta yapılan işlemde yoğunlaşma başlayacaktır (grafikteki B noktası). Bu basınca basınç denir doymuş buharlar veya basitçe doyma basıncı.

Grafiğin BC kısmı bir maddenin iki fazlı durumunu açıklar. Hacim 'den' e azaldıkça, maddenin artan bir kısmı buhar halinden sıvı duruma geçer. C noktası tüm maddenin sıvıya dönüştüğü durumu temsil eder. Son olarak CD, sıvı sıkıştırma sürecini açıklar; grafik neredeyse paralel çalışır dikey eksen, iyi bilinen bir gerçeği yansıtıyor: sıvıların sıkıştırılabilirliği gazlardan çok daha azdır.

Aynı miktarda madde ile benzer izotermal işlemler gerçekleştirilirse farklı sıcaklıklarŞekil 2'de gösterilen izoterm sistemini elde ederiz.

Daha fazlasına karşılık gelen eğriler yüksek sıcaklıklar, kökenden daha uzakta bulunur. Artan sıcaklıkla birlikte iki fazlı durumu tanımlayan izotermlerin yatay kısımları azalır ve belirli bir sıcaklıkta tek bir noktaya dejenere olur. Bu sıcaklığa kritik denir.

Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda, iki fazlı bir madde elde etmek mümkün değildir.

§ 2. Van der Waals denklemi. Van der Waals izotermleri.

İdeal bir gazın yüksek yoğunluktaki durum denklemi deneyle iyi bir uyum sağlayamaz çünkü yazıldığında moleküllerin boyutunun olmadığı ve birbirleriyle etkileşime girmediği varsayılmıştır. Gerçek gazların özelliklerini tatmin edici bir şekilde tanımlayan bir durum denklemi elde etmek için, moleküllerin boyutlarını veya birbirlerinden küçük mesafelerde bulunan moleküller arasında ortaya çıkan itme kuvvetlerini hesaba katmak gerekir. Ayrıca moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini de hesaba katmamız gerekir.

Clapeyron-Mendeleev durum denklemini temel alabilir ve üzerinde uygun değişiklikler yapabilirsiniz. Bir kilomol gaz için Clapeyron-Mendeleev denklemindeki hacme bir düzeltme getirerek itme kuvvetlerini veya moleküler boyutları hesaba katacağız.

(1)

(2)

İkinci ifadeden, basıncın sonsuza doğru yöneldiği açıktır; Bir maddeyi sıfıra eşit bir hacme sıkıştırmak imkansızdır.

Karşılaştırmalı olarak uzun mesafelerÇekici kuvvetler moleküller arasında önemli bir rol oynar. Denklem (2)'deki basınca uygun bir düzeltme getirilerek bunlar dikkate alınabilir:

(3)

Bu değişiklik şuradan alınmalıdır: negatif işaret Moleküllerin çekiciliğinin, belirli bir gazı içeren kabın duvarlarındaki basınçta bir azalmaya yol açtığına inanılıyor. Denklem (3) aşağıdaki gibi yeniden düzenlenebilir:

(4)

Bu, ilk olarak Van der Waals tarafından elde edilen gerçek gazların durum denklemidir. Bunu keyfi miktarda madde için yazabilirsiniz:

(5)

bağıl moleküler kütle nerede.

Denklem (4) şu şekilde temsil edilebilir: güç serisi hacimce:

(6)

Sabit basınç ve sıcaklıkta hacim açısından üçüncü dereceden bir denklem olacaktır ve üç kökü olmalıdır. En ilginç sonuçlar biri Şekil 3'te gösterilen van der Waals izotermlerinin analiz edilmesiyle elde edilir.

Sabit bir sıcaklıkta, her basınç değeri denklemin (6) üç köküne karşılık gelecektir. Basınç üç gerçek köke karşılık gelir , , . Basınçlar ve, fiziksel bir anlamı olmayan ve daha fazla ele alınmayacak olan bir gerçek kök ve iki karmaşık eşlenik köke karşılık gelir.

Van der Waals izotermi ile deneysel izotermi karşılaştırmak ilginçtir. Şekil 3'te deneysel izotermin yatay kesiti düz bir çizgi BF olarak gösterilmektedir. Bölüm AB, maddenin gaz halindeki durumunu tanımlar ve deneysel izotermle tatmin edici bir şekilde örtüşür. FG kısmı bir akışkanın izotermal sıkıştırılmasını açıklar. Böylece, van der Waals denklemi maddenin gaz halindeki ve sıvı haller izotermal bir süreçte.

İzotermler BF bölümünde önemli ölçüde farklılık gösterir . Ancak BC ve EF şubelerinin belirli bir sınırı vardır. fiziksel anlam. BC bölgesinin temsil ettiği maddenin halleri deneysel olarak elde edilebilir. Bu aşırı doymuş veya aşırı soğutulmuş buhardır. Maddenin EF bölgesine karşılık gelen durumları da deneysel olarak gözlemlenir. Bu durumlardaki sıvıya aşırı ısınmış denir. Bu durumlara yarı kararlı denir. Van der Waals izotermi CDE'nin bir kısmı deneylerde hiçbir zaman gözlemlenmez. Maddenin kararsız durumunu anlatır.

§ 3. Kritik sıcaklık. Kritik durum.

Van der Waals izotermlerinin bir ailesini oluşturalım (Şekil 4). Artan sıcaklıkla birlikte eğriler orijinden daha uzağa yerleşecek ve karakterleri değişecektir. Maksimum ve minimumlar hem apsis hem de ordinat ekseni boyunca birbirine yaklaşacak ve belirli bir sıcaklıkta tek bir noktada, bükülme noktasında birleşecekler. Bu sıcaklıkta ve bu noktaya karşılık gelen basınçta, üç gerçek kök katlar haline gelir. Sıvı ve buhar arasındaki ayrım ve aralarındaki arayüz ortadan kalkar. Bu duruma kritik denir ve sıcaklığa kritik sıcaklık denir. Bu sıcaklık her maddenin karakteristik bir özelliğidir.

Van der Waals denklemini kullanarak, kritik parametreleri, maddenin bireysel sabitleri ve evrensel gaz sabiti aracılığıyla ifade etmek mümkündür.

Kritik parametreleri bulmanın bir yolu, kritik durum için yazılan van der Waals denkleminin köklerinin katları olmasına dayanır, yani denklem şu şekilde temsil edilebilir:

Denklem (6) ile karşılaştırın

Bu eşitlik, katsayılar şu şekilde sağlanırsa aynı şekilde sağlanacaktır: eşit derece birbirine eşit olacaktır:

,

, (8)

.

Denklem sistemini (8) çözerek kritik parametreler için ifadeler elde ederiz:

, , . (9)

Aynı sonuçlar başka bir yolla da elde edilebilir. Daha önce de belirtildiği gibi kritik durumu temsil eden nokta, grafikteki dönüm noktasıdır. izotermal süreç koordinatlarda , . Sabit bir sıcaklıkta basıncı hacmin bir fonksiyonu olarak belirleyen denklem (3)'ü kullanıyoruz. Kurstan matematiksel analiz bükülme noktasında birinci ve ikinci türevlerin sıfıra eşit olduğu bilinmektedir:

(10)

(11)

, (3), (10), (11) denklem sistemini çözerek onlar için aynı ilişkileri (9) elde ederiz.

Kritik parametreleri deneysel olarak belirledikten sonra, maddenin bireysel sabitlerini ve .

, . (12)

Böylece van der Waals denklemi sıvıların ve gazların özelliklerini tanımlar ve kritik bir durumun varlığını tahmin eder. Bununla birlikte, Clapeyron-Mendeleev denkleminden daha az evrenseldir çünkü maddenin iki ayrı sabitini içerir ve

II. KURULUM açıklaması.

Kritik parametrelerin bilgisi önemli bilimsel ve pratik ilgi çekicidir. Kritik değerlerin üzerindeki sıcaklıklarda bir madde ancak gaz hali. Gizli buharlaşma ısısı ve katsayısı yüzey gerilimi kritik sıcaklıkta yok olurlar.

Deneysel verilere dayalı bir izoterm sistemi oluşturarak (Şekil 2'de gösterildiği gibi), kritik sıcaklığı ve diğer iki parametreyi belirlemek mümkündür. Bu yöntem ilk olarak Andrews tarafından karbondioksitin kritik parametrelerinin belirlenmesinde kullanıldı. Yalnızca tanımlarken kritik sıcaklık Menisküs ortadan kaldırmak için daha az hantal bir yöntem kullanabilirsiniz. Test edilecek madde kapalı bir cam ampul içerisine konulur ve ısıtılır. Ampuldeki sıvı miktarı, ısıtma işlemi sırasında menisküs pratik olarak yerinde kalacak şekilde seçilirse, belirli bir anda madde kritik bir duruma ulaşacaktır (menisküs kaybolacaktır). Soğuduğunda tekrar ortaya çıkacak ve madde iki faza ayrılacaktır. Menisküsün görünüp kaybolduğu sıcaklık kritik sıcaklık olacaktır.

Kritik sıcaklığın belirlenmesi, diyagramı Şekil 5'te gösterilen bir kurulumda gerçekleştirilir.

Bir aydınlatıcı (1) ve bir termostat (2), içine incelenen maddeyle birlikte özel bir mikro presin (3) yerleştirildiği ortak bir stand üzerine monte edilir. Lamba mahfazasının altında iki adet geçiş anahtarı vardır: biri ışığı açar, diğeri termostattaki ısıtıcıları (4) açar. Termostat sıcaklığı seri bağlı iki Chromel-Copel termokupl kullanılarak kontrol edilir. Termokuplların (5) çalışma bağlantıları mikropresin yakınına yerleştirilir. Termal e.m.f. dijital voltmetre kullanılarak ölçülmüştür 6.

Bir çalışma odasını ve minyatür presi yapısal olarak birleştiren bir mikropresin yapısı Şekil 6'da gösterilmektedir. Presin çalışma hacmi, pres gövdesine (2) yerleştirilen ince bir cam tüpün (1) hacmidir. Her iki uçta, cam tüp, floroplastik contalara (5) sahip vidalar (3 ve 4) ile hava geçirmez şekilde kapatılmıştır. Vidanın (4) içinde, bir piston (6) diş boyunca hareket edebilir ve böylece çalışma hacmini değiştirebilir. Maddenin durumundaki değişikliklerin görsel olarak gözlemlenmesi, pres gövdesindeki ve termostat mahfazasındaki görüntüleme yarıkları aracılığıyla gerçekleştirilir.

III. ÖLÇÜM. ÖLÇÜM SONUÇLARININ İŞLENMESİ.

Laboratuvar çalışması sırasında termokuplların kalibre edilmesi ve bir kalibrasyon eğrisi oluşturulması gerekir. Bunu yapmak için önce voltmetreyi açın ve ardından 20-30 dakika sonra termostat ısıtıcılarını açın. Termostatın içine mikropres yerine 0°C ila 350°C ölçüm aralığına sahip cıvalı termometre yerleştirilir. Sıcaklık arttıkça voltmetre ve termometrenin okumalarını kayıt altına almak gerekir. Dt=20°С. Daha sonra termostatın ısıtmasını açmanız ve soğudukça ilgili değerleri kaydetmeniz gerekir. Nihai kalibrasyon sonuçlarını bir grafik biçiminde sunun: milivolt cinsinden voltmetre okumaları dikey olarak çizilir sen , yatay olarak termostat sıcaklığı ile oda sıcaklığı arasındaki fark. Termokuplların "soğuk" bağlantıları oda sıcaklığında olduğundan sıcaklık farkını tam olarak almak gerekir.

Kalibrasyondan sonra mikro presi bir şırınga kullanarak vidanın (3) yanından test maddesiyle doldurun. Bu durumda pistonun cam tüp içerisine uygun işarete kadar (uzunluğun yaklaşık 3/4'ü) yerleştirilmesi gerekir. Daha sonra, cam tüpe hava kabarcığı girmemesi için presi vida 3 ile bir conta ile kapatmanız gerekir. 3 ve 4 numaralı vidalar iyice sıkılmalıdır. Bundan sonra piston, elde edilen gaz fazı sıvı faz ile yaklaşık olarak aynı hacmi kaplayacak şekilde cam tüpten çıkarılabilir. Daha sonra pres, piston kolu termostatın dışında üstte olacak şekilde termostatın içine yerleştirilir ve ısıtma açılır.

Isıtma işlemi sırasında menisküsün konumunu izlemek, pistonu bir yönde hareket ettirmek ve görüş alanından çıkmasına izin vermemek gerekir. Belli bir sıcaklıkta menisküs kaybolmalıdır. Bu kritik bir sıcaklıktır. Kritik durumdaki bir madde ışığı yoğun bir şekilde dağıtır ve bulutlu beyaz ve opak hale gelir. Bu tesisatta micropress parçaları termostatın dışına taşar, içinden yoğun bir ısı atılımı gerçekleşir. Dolayısıyla cam tüp içindeki sıcaklık eşit değildir ve kritik durum ancak tüpün alt kısmında elde edilebilir. Deneyde gözlemlenen budur. Bu durumda tüpün üst kısmında iki faz arasında bir arayüz gözlemlenebilir.

Çalışma sırasında cam tüpün alt kısmında madde tarafından yoğun ışık saçılımının başladığı sıcaklığın ölçülmesi gerekir. Daha sonra ısıtıcılar kapatılmalı ve bu saçılımın kaybolduğu sıcaklık ölçülmelidir. Benzer ölçümleri birkaç kez yapın ve ortalama değeri kritik sıcaklık olarak alın.

Tablo 1.

Kritik sıcaklığın ölçülmesinin sonuçlarına dayanmaktadır. ve kritik basınç için Tablo 1'deki verileri kullanarak, incelenen madde için van der Waals sabitlerini hesaplayın.

TEST SORULARI

1) Van der Waals denklemine neden sabitler eklendi?

2) Gerçek izoterm sistemi ile van der Waals izoterm sistemini karşılaştırın.

3) Doyma basıncı sıcaklık değişimleriyle nasıl değişir?

4) Kritik parametreler için formül türetmeye yönelik iki yöntemden bahsedin.

5) İndirgenmiş van der Waals denklemini yazın.

6)
Karşılık gelen eyaletlerin yasasını formüle edin.

EDEBİYAT.

1) A.K.Kikoin, I.K.Kikoin. Moleküler fizik. Yayınevi "Bilim", 1976, s. 208-237.

2) D.V. Genel kurs fizik. T.P., ed. "Bilim", 1976, s. 371-399.

Böyle bir şey var doğal fenomen bilim adamlarının süperiletkenlik, mühendislerin ise "enerjinin, tıbbın, yüksek hızlı ulaşımın ve askeri işlerin geleceği" adını verdiği süperiletkenlik. İlk süper iletken malzemelerin yüz yıldan fazla bir süre önce keşfedilmiş olmasına rağmen, bunları nispeten yakın zamanda ve yalnızca Büyük Hadron Çarpıştırıcısı veya manyetik rezonans görüntüleme gibi oldukça spesifik birkaç cihazda kullanmayı öğrendiler. Neden? Çünkü bu olgunun nasıl çalıştığını hala tam olarak anlamış değiliz. Yeni materyalde editörler N+1 Süperiletkenliğin ortaya çıkışının çeşitli bilimsel versiyonları hakkında mümkün olduğunca kısa ve basit bir şekilde konuşmaya çalıştım, bunu anladıktan sonra, dünya çapındaki fizikçilerin bir yüzyıldır ne üzerinde kafa yorduğunu anlayacaksınız.

Peki süperiletkenlik nedir? Bu, bazı maddelerin belirli bir sıcaklığın altında kesinlikle sıfır dirence sahip olma özelliğidir - buna kritik denir. Belirli bir bileşiğin süperiletken olarak sınıflandırılmasını sağlayan ikinci zorunlu kriter, Meissner etkisidir; yani malzemelerin, yine kritik bir sıcaklığın altına soğutulduğunda manyetik alanı hacimlerinin dışına itme yeteneğidir.

Bir süperiletkenin bir mıknatıs üzerine yükselmesi Meissner etkisinin bir tezahürüdür.

Wikimedia Commons'ı

Süperiletkenlik olgusu hem benzersiz hem de tamamen “sıradan”dır. Geniş mevcut yelpazesi nedeniyle benzersizdir ve olası uygulamalar: bulaşma elektrik akımı kabloları ısıtmak, süper güçlü mıknatıslar, çeşitli dedektörler, SQUID manyetometreleri, manyetik kaldırma trenleri ve hatta uçan kaykaylar yapmak için enerji harcamadan.

Ve "sıradan", çünkü süperiletkenlik, ortaya çıktığı gibi, kendini gösteriyor büyük miktar bileşikler - burada ve metal oksitler ve organik iletkenler, metal fulleritler, demir içeren ve kalkojenitler ve diğerleri. Bu nedenle, başka bir yeni süper iletkenin keşfedildiğine dair raporlar artık kimseyi, özellikle de bilim adamlarını şaşırtmıyor.

Ancak yine de, süperiletkenliğin keşfinden yüz yılı aşkın bir süre sonra, buna yönelik tüm girişimler devam ediyor. pratik uygulama karşılaşmak asıl sorun- düşük kritik sıcaklık. Bu nedenle süperiletken ürünlerle çalışmak için büyük soğutma sistemleri inşa etmek gerekir. sıvı nitrojen ve hatta pahalı sıvı helyum. Ancak oda sıcaklığı civarında kritik sıcaklığa sahip bir malzeme bulunabilirse, havaya uçan trenler ve süper iletken elektronikler fütüristlerin hayallerinden günlük gerçekliğe dönüşebilir.

Yeni süperiletkenler üzerinde çalışan fizikçiler genellikle onların kritik sıcaklıklarını arttırmayı amaçlamazlar. Belirli bir bileşiğin süper iletken özellikler sergilemesine yol açan nedenler olan mekanizmalar hakkında konuşuyorlar. Bilim adamları, yalnızca daha yüksek kritik sıcaklığa sahip bileşiklerin değil, aynı zamanda diğerlerinin de tahmin edilmesini mümkün kılacak olanın bu mekanizmaların anlaşılması olduğuna inanıyorlar. önemli parametreler Kritik manyetik alan, akım yoğunluğu ve diğerleri gibi.

Süperiletkenliğin ortaya çıkışı için bilinen ana mekanizmanın, kristal kafesin titreşimlerinin etkisi altında iki elektron arasında çekim meydana geldiğinde ve Cooper çiftleri olarak adlandırılan elektron-fonon etkileşimi olduğu kabul edilir. Bardeen-Cooper-Schrieffer'in (BCS) Nobel teorisine göre süperiletkenlik kendini bu şekilde gösteriyor. Magnon veya exciton gibi başka mekanizmalar da önerilmiştir. Birincisinde elektron eşleşmesi fononlardan ziyade magnonlar nedeniyle meydana gelir ve ikincisinde süperiletkenlikten Bose yoğuşması durumundaki eksitonlar sorumludur.

Ancak bilim adamları arasında fononun dışında başka mekanizmaların olup olmadığı konusunda hala bir tartışma var; gerçek şu ki, bazı durumlarda deneysel veriler yorumlanabiliyor farklı şekillerde. Bu nedenle, süperiletkenlik üzerine çalışan fizikçiler iki karşıt ve görünüşte uzlaşmaz kampa bölünmüş durumda: teoriyi yeni verilere uyacak şekilde bir şekilde değiştirmeye çalışan klasik BCS'nin destekçileri ve yeni mekanizmaların evrende meydana gelen gerçek süreçlerin bir yansıması olduğunu düşünenler. süper iletkenler.

Bunların veya diğer mekanizmaların gerçek olup olmadığı yeni deneysel verilerle gösterilecektir. Modernlik okuduk bilimsel literatür Bu konuyu ele aldık ve çeşitli ve görünüşte ilgisiz süreçlerin nasıl süperiletkenliğe yol açabileceğinden mümkün olduğunca basitleştirilmiş bir şekilde bahsetmeye çalıştık. Biz de dikkat ettik çeşitli efektler Bu, belirli bir süperiletkenin kritik sıcaklığını etkileyebilir.

Birinci hikaye: fononlar

Süperiletken: basit elemanlar, bunların bazı alaşımları ve diğer bileşikleri.

Mekanizma: elektron-fonon etkileşimi ( klasik teori BCS).

Makaleler: Süperiletkenlik Teorisi // Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

Leon N. Cooper, Dejenere Fermi Gazında Bağlı Elektron Çiftleri // Phys. Rev. 104, 1189 (1956).

J. Bardeen, L. N. Cooper ve J. R. Schrieffer, Mikroskobik Süperiletkenlik Teorisi // Phys. Rev. 106, 162 (1957).

Oda sıcaklığında, normal iletken. Kristal kafesin atomları (daha doğrusu pozitif yüklü iyonlar) farklı frekanslarda farklı yönlerde titreşir. Bu "salınım dalgaları" fizikçiler tarafından şu şekilde tanımlanır: yarı parçacıklarfononlar ve her fononun kendi frekansı ve enerjisi vardır. İletim elektronları bu titreşen iyonlar arasında neredeyse düzensiz bir şekilde hareket eder, yön değiştirir, iyonlarla ve birbirleriyle etkileşime girer. Bu etkileşimlerin bir sonucu olarak, elektronlar enerjilerinin bir kısmını bırakarak onu çevredeki atomlara dağıtırlar - iletkenlerde sıfır olmayan direncin ortaya çıkmasının nedeni budur.

Oda sıcaklığının altında, kritik sıcaklığın üstünde sıradan bir iletken. Sıcaklığın neden olduğu atomik titreşimler sönümlenir ancak tamamen sönmez. Elektronlar enerjiyi dağıtmaya devam ediyor, ancak hareket etmeleri çok daha kolay; atomlar yollarında o kadar fazla "titremiyor". Direnç yavaş yavaş azalır.

Kritik sıcaklık, süperiletken geçiş. Daha da az fonon var; atomlar neredeyse hiç titreşmiyor. Elektronlar için yeni bir "uygun" durum ortaya çıkıyor - toplam sıfır momentum ve dönüşle çiftler halinde birleşmek. Birleşme, kristal kafesteki iyonların titreşimleriyle, yani fononlarla etkileşim nedeniyle meydana gelir. Ancak bu fononlar yukarıda bahsedilenler değil, sıcaklık dalgalanmaları değil, “ sanal- elektronların hareketinden kaynaklanır. Bu etkileşim sonucunda elektron çiftleri adı verilen Cooper'ın Kafes atomlarındaki enerjiyi dağıtmak kârsız hale gelir. Malzemede hala "sıradan elektronlar" var, ancak akım yol boyunca akıyor en az direnç- sıfıra atlıyor.

Kritik sıcaklığın altında süperiletken. Giderek daha fazla Cooper çifti var. Çiftin bir tam sayı dönüşü olduğundan (-1/2+1/2 = 0 veya daha az yaygın olarak 1/2+1/2 = 1), böyle bir "toplam parçacık" bir bozondur. Ancak Pauli yasağı bozonlar için geçerli değil; aynı anda aynı kuantum durumunda veya aynı enerji seviyesinde olabilirler. Gittikçe daha fazla çift bu enerji seviyesine "düşüyor" - Bose yoğunlaşması. Bose yoğuşmasında parçacıklar şöyle davranır: tutarlı bir şekilde(kabul edildi) ve kursları enerji tüketmeyen(enerji kaybı olmaz).

Kesin olarak konuşursak, Bose-Einstein teorisi şunu ele alır: ideal gazlar ve süperiletkenlerdeki elektronlar gibi karmaşık etkileşimli sistemlerle değil. Ancak süreçlerin özü, parçacıkların tek bir yerde "toplanması" fırsatıdır. enerji seviyesi- aynı. Bu nedenle kendimize bu benzetmeyi yapmamıza izin veriyoruz.

Cooper çiftleri nasıl oluşur? Pozitif yüklü atomlar arasında uçuşan elektronlar, bir alan gibi kendilerinin de çekilmesine neden olur. negatif yük. Ancak atomlar "hantaldır"; çok daha ağırdırlar ve daha yavaş hareket ederler. Sonuç olarak, geçen elektronun ardından pozitif yüklü bir bölge yaratılır. Başka bir elektron ona çekilir. Ve böylece çiftler halinde, çarpışmalarda enerji kaybetmeden atomlar arasındaki kristal kafes boyunca hareket ederler. Fizikçiler bu sürece elektronların kristal kafesin sanal fononlarıyla etkileşimi adını veriyor.

Cooper çiftleri neden enerjiyi dağıtmıyor? Elektronların neden enerjilerini kaybetmediklerini açıklamak için kavrama dönmemiz gerekiyor. elektronik spektrum- enerjinin dalga vektörüne bağımlılığı. Süperiletken normal bir metalden farklı olarak özel bir özelliğe sahiptir. açıklık- yasak eyaletlerin bölgesi. Yani bir elektron bu yasak bölgeden gelen enerjiye sahip bir duruma giremez. Boşluk tam kritik sıcaklıkta “açılır” ve soğudukça “büyümeye” devam eder. Süperiletkenlerde bu aralığın ortasında Cooper çiftlerinin bulunduğu izin verilen enerji düzeyi bulunur. Ancak bu seviyenin üstünde ve altında bir "bant aralığı" vardır, bu da elektron çiftlerinin bu seviyede, aralığın ortasında kilitlenmiş gibi göründüğü anlamına gelir. Enerjiyi yalnızca bant aralığından daha büyük kısımlarda kaybedebilir veya emebilirler - Cooper çiftinin düşük hareket hızlarında bu neredeyse imkansız bir süreçtir. İletim elektronlarının kristal kafes boyunca enerji tüketmeyen (enerji kaybı olmadan) hareketi meydana gelir - bu süper iletkenliktir. Böyle bir aralığın yarı iletken ve dielektriklerdeki bant aralığı ile aynı olmadığını, dolayısıyla iletkenliğin sıcaklıkla birlikte tamamen kaybolduğunu veya azaldığını da ekleyelim. Dielektrikler veya yarı iletkenlerin bant aralığında Cooper çiftleri ile herhangi bir seviyesi yoktur ve iletkenliğin kendisi ancak elektronun bariyerin üzerinden "atlamak" için enerji elde etmesi durumunda ortaya çıkabilir (süper iletkenlikten bahsetmiyorum bile).

Bu aşamada küçük bir açıklama yapmakta fayda var. Bilim adamlarının neredeyse hiçbiri süperiletken akımın oluşumu nedeniyle ortaya çıktığından şüphe etmiyor Cooper çiftleri veya diğer Bose parçacıkları ve bunların aynı enerji seviyesinde yoğunlaşması. Hakkında anlaşmazlıklar ortaya çıkıyor Bu Bose parçacıkları tam olarak nasıl oluşuyor?. BCS teorisi böyle bir mekanizma olarak elektron-fonon etkileşimini önermektedir. Peki neden bunun için diğer yarı parçacıkları “kullanmıyorsunuz”? Bir sonraki hikayemiz bununla ilgili.

İkinci hikaye: magnonlar

Süperiletken: ZrZn 2 ve diğerleri.

Mekanizma: Gezici elektronların ferromanyetizma fenomeni nedeniyle üçlü Cooper çiftlerinin oluşumu.

Madde: C. Pfleiderer et. al D-bant metal ZrZn 2 / Nature 412, 58-61 (2001)'de süperiletkenlik ve ferromanyetizmanın bir arada bulunması.

D. Fay ve J. Appel P-durumu süperiletkenliği ve gezici ferromanyetizmanın bir arada bulunması / Phys. Rev. B 22, 3173 (1980).

Oda sıcaklığında, paramanyetik metal. Bir katı içindeki bir elektron, Coulomb'un diğer elektronları itme kuvvetlerine, kristal kafesin iyonlarının çekimine ve ayrıca kuvvetlere maruz kalır. değişim etkileşimi elektronlar arasındadır. İkincisi tamamen kuantum doğasına sahiptir ve elektronların varlığından kaynaklanmaktadır. geri- ±½ değerlerini alan içsel açısal momentum. Malzemelerde manyetik sıralamaya en sık neden olan şey, değişim etkileşimleridir; ferro-, ferri- ve antiferromanyetizma olarak bilinen bir fenomen sınıfı. Çoğu durumda bu olaylar, maddenin iletken olmadığı, yani içindeki elektronların bulunduğu durumlarda meydana gelir. yerelleştirilmiş veya belirli bir iyona "bağlıdır". Bu hikaye ferromanyetizma hakkındadır. kolektifleştirilmiş elektronlar, yani “hareketli” - iletkenlikten sorumludur.

Ferromanyetik sipariş sıcaklığı, ferromanyetik-metal. Bazı durumlarda bir iletkendeki elektronların değişim etkileşimi, sıradan bir iletkende kaotik bir şekilde ileri geri "uçan" elektronların dönüşlerinin aniden aynı yöne "bakmaya" başlamasına yol açabilir. Prensip olarak, korkmuş insanlardan oluşan bir kalabalıkta da benzer bir durum gözlemlenebilir. Bireysel kişi Kalabalığın içinde tamamen kaotik bir yönde koşabilir, diğer insanlarla, duvarlarla ve çitlerle çarpışarak sıradan metallerdeki dirence benzer bir etkiye neden olabilir. Ancak aynı zamanda, büyük olasılıkla çoğu insan kollarıyla değil bacaklarıyla koşacaktır, bu nedenle "sırtları" - bacaklardan başa doğru yön - çakışacaktır. Böylece, eğer sıcaklık ( ortalama hız Kalabalıktaki insanlar) yeterince düşük olduğunda, elektron dönüşlerinin çoğu birlikte yönlendirilecek ve böyle bir malzeme ferromanyetik bir metal olacaktır.

Süper iletken geçişin kritik sıcaklığı, ferromıknatıs-süper iletken. Bireysel elektronların dönüşleri aynı yönde olmasına rağmen, belirli bir yönde katı bir şekilde sabitlenmezler. Sallanabilir, yuvarlanabilir ve kırılabilirler sıkı düzen. Ama bundan sapmak genel yön Belirli bir dönüş, komşu elektronların "barışı bozmasına" neden olur ve onlar da onu orijinal durumuna döndürmeye çalışır. Bunun nedeni ferromıknatıstaki elektronların enerjik olarak uygun Değişim etkileşiminin enerjisi ile birbirine bağlı oldukları için eş yönlü dönüşlere sahiptirler. Bu enerji kazancı nedeniyle düşük sıcaklıklar Elektronlar arasında çekime benzer bir şey ortaya çıkmaya başlar - çiftler halinde birleşirler. Ancak, bir "fonon" süperiletkeninden farklı olarak, bu çiftin toplam spini sıfır değil birdir, çünkü spinler birlikte yönlendirilir. Bu fenomene denir üçlü süperiletkenlik. Ve dönüşlerini tersine çevirebilen ve düzensizliği yakındaki elektronlara yayan "baş belası" olarak adlandırılıyor Magnonlar. Süper iletken geçiş sırasında elektronların çiftler halinde birleşmesine yardımcı olan magnonlardır.

Üçüncü hikaye: eksitonlar

Süperiletken: yapay malzemeler Her biri neredeyse bir atom kalınlığında olan birkaç sıralı dielektrik ve yarı iletken katmandan oluşur.

Mekanizma: Dolaylı eksitonların Bose-Einstein yoğunlaşması.

Makaleler : J.P. Eisenstein, A.H. MacDonald Bose-Einstein çift katmanlı elektron sistemlerinde eksitonların yoğunlaşması / Nature 432, 691-694 (9 Aralık 2004).

M. M. Fogler, L. V. Butov ve K. S. Novoselov Van der Waals heteroyapılarında dolaylı eksitonlarla yüksek sıcaklıkta süper akışkanlık / Nature Communications 5, 4555 (2014).

Oda sıcaklığında, süperiletkenlik yok. Kaynak malzeme, tek atomlu dielektrik katmanlarından (akımı iletmeyen malzemeler) ve yarı iletkenlerden (akımı ileten, ancak gerçek iletkenlerden daha kötü) oluşan yapay bir "yığın"dır. Bir yarıiletkende bir akımın oluşabilmesi için elektronların bu yarıiletkenden "atlamak" için yeterli enerji alması gerekir. yasak bölge. Bir elektron "atlayıp" iletken hale geldiğinde, yerinde kalan şey elektronlardır. delik ya da basitçe söylemek gerekirse, bir elektronun yokluğu. Elektron + delik = uyarılma. Doğru, bir elektrondan ve bir delikten bir eksiton oluşması için, bunların birbirine bağlı olması, yani bireysel parçacıkların toplam enerjisinden biraz daha düşük enerjiye sahip olmaları gerekir - ancak bu durumda malzeme içinde bir şekilde hareket ederler. koordineli bir şekilde. Aksi takdirde, örneğin, "hafif" bir elektron basitçe "uçup gidebilir" ve "beceriksiz" bir delik ona ayak uyduramayacaktır.

Sıcaklık kritikin üzerinde, oda sıcaklığının altında ise süperiletkenlik yoktur. Eğer böyle çok katmanlı bir malzemede yalnızca (yarı iletken katman içinde yayılan) sıradan eksitonlar var olabilseydi, herhangi bir süperiletkenliğe dair umut olmazdı. Ancak dielektrik ve yarı iletken katmanlar, içinde rastgele olmayan bir şekilde bulunur. Bunlar, pirzolanın iletken olmayan bir dielektrik olduğu ve ekmeğin iki katmanının da serbest elektronlara, deliklere ve "serbest olmayan" eksitonlara sahip yarı iletkenler olduğu bir "burger"i temsil ediyor. Böyle bir "burger" oluşabilir dolaylı eksitonlar. Bunun için, “ekmeğin” alt kısmından gelen bir elektronun “pirzola” boyunca uçması, üst parçaya sıkışıp kalması ve “ekmeğin” alt parçasındaki deliğine bağlı kalması gerekir. Böylece, yarı iletken ekmeğin bir katmanında ağırlıklı olarak elektronların toplandığı, diğer katmanında ise deliklerin toplandığı koşullar yaratmak mümkün olur. Daha sonra dielektrik pirzola tabakası elektronun orijinal yerine dönmesini önleyerek bir enerji bariyeri oluşturacaktır. Yani bir elektronun geriye sıçrayabilmesi için ek enerji harcaması gerekmektedir.

Bose-Einstein yoğunlaşmasının kritik sıcaklığı, süperiletkenliğin ortaya çıkışı. Bir eksitonun spini sıfırdır, yani bir bozondur. Böylece eksitonlar tıpkı Cooper çiftleri gibi bir Bose yoğunlaşması oluşturabilir. Öte yandan Cooper çiftinin yükü elektronun iki yüküne eşittir ancak eksitonun yükü sıfırdır. Sıfır yüklerin hareketi bir akım oluşturamaz, öyleyse iletkenlik nereden gelir ve hatta süper önekiyle? Aynı dolaylı eksitonlar bu konuda yardımcı olacaktır. Onların yardımıyla, eksiton yükü iki parçaya bölünecek ve daha sonra negatif elektronlar yarı iletkenin bir katmanına, pozitif delikler ise diğerine ait olacaktır. Artık iletken kontakları, örneğin yarı iletken ekmeğin üst katmanına "lehimleyebilir" ve onlara voltaj uygulayabilirsiniz - üst katmanın elektronları hareket etmeye başlayacak ve onlarla birlikte alt katmandaki delikler hareket etmeye başlayacak, içinde akımlar yaratmak zıt yönler. Eğer sıcaklığı, eksitonlar aynı enerji düzeyinde yoğunlaşacak kadar düşürürseniz, bunlar malzeme içinde enerji kaybetmeden hareket edeceklerdir. Yarı iletkenin her katmanında süperiletkenlik (delik veya elektronik) gözlemlenecektir.

Kritik sıcaklığın altında süperiletken. sen bu yöntem Yapay süperiletkenlik yaratmanın dezavantajları vardır. Örneğin, bu olay nedeniyle elektronlar yine de deliklere geri dönecektir. tünel açma. Bu durumda eksitonlar “ortadan kaybolacaktır” (fizikçiler bu sürece rekombinasyon) ve toplam iletkenlik azalır. Ek olarak, bu tür eksitonların yaratılması enerji gerektirir, çünkü elektronun dielektrik tarafından oluşturulan bariyerden "atılması" gerekir. Sıcaklık düştükçe yeni eksitonlar yaratmak zorlaşır, dolayısıyla yarı iletkenlerden ve dielektriklerden oluşan bu tür yapay bir "burger"in gerçek bir süper iletkenin yerini alıp alamayacağını söylemek zordur.

Önceki hikayede tartışılan yapay "eksiton süperiletkenliğine" ek olarak, "eksiton süperiletkenlik mekanizması" diye bir terimin de bulunduğunu ve bu fenomenlerin tam olarak aynı şey olmadığını belirtmekte fayda var. Yukarıda açıklanan örnekte esasen Cooper çifti yoktur. Eksiton mekanizması, BCS teorisindeki fonon mekanizmasına benzer, yalnızca içindeki Cooper çiftinin iki elektronu arasındaki bağlantı bağlantısı fononlar değil, Bose yoğunlaşma durumundaki eksitonlardır. Her iki mekanizmada da böyle bir bağlantı, negatif yüklü elektronların birbirlerine çekim duyuyor gibi görünmesine yol açar (her ne kadar Coulomb yasasına göre itilmeleri gerekse de). Aslında her iki elektron da fononlar veya eksitonlar tarafından oluşturulan geçici pozitif yük bölgesine çekilir. Üstelik eksitonların "yaratılması" daha kolay olduğundan, böyle bir mekanizmanın açıklayabileceğine inanılıyor. yüksek değerler Bazı malzemeler için kritik sıcaklık.

Dördüncü hikaye: dalgalanmalar

Süperiletken: demir selenid FeSe ve diğerleri.

Mekanizma: sıfır olmayan manyetik momente sahip iyonlar içeren bileşiklerde nematik yapısal faz geçişi ile birlikte spin dalgalanmaları.

Madde : Qisi Wang ve. al FeSe / Nature Materials, 15, 159–163 (2015)'de şerit dönüş dalgalanmaları, nematizm ve süperiletkenlik arasındaki güçlü etkileşim.

Fa Wang, Steven A. Kivelson ve Dung-Hai Lee FeSe'de Nematiklik ve kuantum paramanyetizma / Doğa Fiziği 11, 959–963 (2015).

Oda sıcaklığında, paramanyetik. Bu mekanizma ancak malzemenin sıfır olmayan manyetik momente sahip iyonlar içermesi durumunda mümkündür; bu, toplam döndürmekİyondaki lokalize elektronların (kuantum karakteristiği - içsel açısal momentum) sıfıra eşit. Bu tür malzemeler aittir paramıknatıslar. Manyetik momentler birbirleriyle etkileşime girebilir ve düzenli hale gelebilir; bu nedenle birçok malzeme ferro-, antiferromanyetik özellikler ve diğer daha egzotik seçenekler sergiler. Oda sıcaklığında, kafes iyonlarının termal titreşimleri manyetik momentlerin düzenine müdahale eder; neredeyse kaotik bir şekilde titreşirler; madde paramanyetik kalır.

Oda sıcaklığının altında, paramanyetik. Sıcaklık azaldıkça salınımlar zayıflar ve manyetik etkileşimler tam tersine yoğunlaşmaya başlar. Manyetik momentler artık daha tutarlı bir şekilde salınıyor, "uygun" bir konum bulma eğiliminde, ancak kristal kafesin simetrisi nedeniyle (dörtgen, yani küboid a = b ≠ c) ile minimum enerjiye sahip tek bir durum yoktur. Enerjiyi azaltmak için, manyetik anlar, kare bir kafes içinde yer alır, başlar zincir halinde sıraya girmek- baskın hareketleri belirli bir yönde gerçekleşir.

Nematik faz geçişi, paramanyetik. Döndürmek dalgalanmalar(titreşimler) artık kafes iyon titreşimlerine kıyasla önemli bir katkı sağlıyor. Spinlerin bir zincir halinde sıralanma "girişimleri" sonunda kristal kafesi etkilemeye başlar ve simetrisini düşürür (şimdi a ≠ b ≠ c - ortorombik). Bir faz değişikliği meydana gelir nematik geçiş (kristal kafesin simetrisinde benzer bir azalma olan geçişe verilen addır). Bu da sonuçta zincirler halinde sıralanan dönüş titreşimlerinin anizotropisini daha da artırır. Ancak zincirler herhangi bir belirli pozisyonda “sabitlenemediğinden”, böyle bir durum kararlı olmadığından, tamamen manyetik sıralama oluşmaz.

Nematik faz, paramanyetik. Spin dalgalanmaları " küçük kardeşler» magnonlar (magnonlar düzenli mıknatıslardaki dönüş dalgalanmalarıdır). Kural olarak, belirli bir yönde hizalanmaya yönelik "döndürme girişimleri" sonuçta manyetik faz geçişi ve madde örneğin bir antiferromıknatıs haline gelir. Ancak bazı malzemelerde bu, kristal kafes iyonlarının titreşimleri nedeniyle engellenir. Süperiletken olmaya aday olan da bu malzemelerdir.

Süper iletken geçişin kritik sıcaklığı. Süperiletken geçiş sıcaklığına yaklaşıldığında, spin dalgalanmalarının enerjisi kafes titreşimleriyle karşılaştırılabilir hale gelir. Manyetik düzen kendini kurmak için zamanı yoktur, ancak elektronların spin dalgalanmalarından kaynaklanan tutarlı davranışı, elektronlar için olası durumların "listesini" sınırlar. Bu, elektronik spektrumda bir boşluğun ortaya çıkmasına neden olur ve manyetik geçiş, süper iletken bir geçişle "değiştirilir". Böylece, kristal kafesin titreşimleri ve simetrisindeki değişikliklerle birlikte spin dalgalanmaları, sonuçta Cooper çiftlerinin oluşumu için başka bir yola yol açar.

/ Fizik. Rev. Lett. 101, 026406 (2008).

S.V. Borisenko ve. al Demir bazlı süperiletkenlerde spin-yörünge eşleşmesinin doğrudan gözlemlenmesi / Nature Physics, 12, 311–317 (2015).

Oda sıcaklığından kritik sıcaklığa. Dönme-yörünge etkileşimi etkiler elektronik spektrum dolayısıyla iletken özelliklere “müdahale eder”. Bu olay (hareket eden bir elektron ile kendi spini arasındaki etkileşim) kendisini en güçlü şekilde yüksek elektron hareket hızlarında gösterir. kuantum fiziği dürtü kavramıyla çalışır), yani göreceli etki. Tüm bileşiklerin elektronik özelliklerini etkiler, ancak periyodik tablodaki atom numarası ne kadar yüksek olursa katkısı da o kadar büyük olur çünkü yüksek enerji seviyelerinde elektron hareketinin "hızları" çok daha yüksektir. LiFeAs ve diğer süper iletken demir arsenitlerde, spin-yörünge etkileşiminin katkısı, önemli ölçüde etkilemek için yeterlidir. elektronik yapı. Elinizde bir hamuru top tuttuğunuzu hayal edin. Dönme-yörünge etkileşiminin elektronik yapı üzerindeki etkisi, sanki bu top üzerinde parmaklarınızla çentikler ve çıkıntılar oluşturuyormuşsunuz ve böylece orijinal şeklini bozuyormuşsunuz gibi hayal edilebilir.

Sonuç olarak hikayelerimizin sadece birkaçını listelediğini söyleyebiliriz. olası süreçler sonuçta süperiletkenliğe yol açan şey. Klasik elektron-fonon mekanizması da dahil olmak üzere hepsi tek bir malzemede birleştirilebilir veya bunlardan biri belirli bir madde için ana malzeme olacaktır. Belki de tüm bu sayısız ve karmaşık mekanizmalar bazı küresel mekanizmaların sadece bir parçasıdır. fizik kanunu bilim adamlarının henüz keşfedemediği bir şey. Ama aynı zamanda doğanın hayal edebileceğimizden çok daha karmaşık ve çok yönlü olduğu ve süperiletkenliğin tek bir yasasının olmadığı da ortaya çıkabilir.

Ekaterina Kozlyakova

Basıncı artırarak ve aynı anda sıcaklığı düşürerek, sıradan gazların yanı sıra doymamış buharları da doyma durumuna getirmenin ve ardından bunları sıvıya dönüştürmenin mümkün olduğu fikri uzun zamandır ortaya çıktı. Bu şekilde İngiliz bilim adamı Faraday birçok gazı sıvıya dönüştürdü: amonyak, karbondioksit, klor vb. Ancak oksijen, nitrojen, hidrojen, karbon monoksit, nitrojen oksit ve metan gibi gazlar 3000 atm'ye sıkıştırıldığında ve –110°C'ye soğutulduğunda bile sıvıya dönüşmüyordu. Nedenlerini bulmak gerekiyordu. bu fenomen için.

Büyük Rus bilim adamı D.I. Mendeleev de gazların sıvılaştırılması sorununu inceledi. Selefleri, gazların sıvılaştırılmasıyla ilgili tartışmalarında, bu sürecin benzerliğinden doymamış buharın sıvıya dönüştürülmesi sürecine ilerlerken, Mendeleev bunun tersi olan sürecin koşullarına, yani sıvının buhara dönüşümüne dikkat çekti.

Bu koşulları inceledikten sonra Mendeleev, her madde için, maddenin gaz halinde olduğu bir sıcaklığın olduğu sonucuna vardı. Mendeleev bu sıcaklığı aradı mutlak kaynama noktası. Daha sonra şu şekilde tanındı: kritik sıcaklık.

Bu nasıl bir sıcaklık? Bu soruyu cevaplamak için aşağıdaki deneyi yapalım.

Hava banyosuna, hacminin bir kısmı sıvı, geri kalanı doymuş buharla dolu, kapalı bir tüp yerleştirelim ve onu ısıtalım. Isıtıldığında sıvının yoğunluğu ve tüpteki buharın yoğunluğu değişecektir.

Örnek olarak, su ve su buharının yoğunluğunun sıcaklığa göre değişimini gösteren grafikler oluşturalım. Bunu yapmak için sıcaklığı apsis ekseni boyunca, sıvı ve buharın yoğunluklarını da ordinat ekseni boyunca çizeceğiz.

Bir sıvı ısıtıldığında genleştiğinden, sıvının yoğunluğunu sıcaklığın bir fonksiyonu olarak gösteren CD eğrisi düşer, bu da sıcaklık arttıkça sıvının yoğunluğunun azaldığını gösterir.

Sıcaklık arttıkça sıvı buharlaştığı için buhar yoğunluğu da artar. Buhar yoğunluğundaki bu artış grafikte AB eğri çizgisiyle gösterilmektedir.

AB eğrisi CD eğrisinin altında yer alır, çünkü herhangi bir sıcaklıkta sıvı varlığında buhar yoğunluğu daha az yoğunluk sıvılar.

Sıcaklık arttıkça sıvının yoğunluğu azalır, buharın yoğunluğu artar. CD eğrisi aşağı inecek ve AB eğrisi yukarı çıkacak. Her iki eğri K noktasında birleşir, buna denir kritik nokta ve eğrilerin birleştiği sıcaklığa denir kritik sıcaklık. Kritik nokta K karşılık gelir özel durum sıvı ile onun doymuş buharı arasındaki tüm farkın ortadan kalktığı, kritik olarak adlandırılan bir madde.

Kritik durumdaki bir maddenin basıncı ve özgül hacmi (birim kütle başına hacim) de kritik olarak adlandırılır.

Çeşitli maddelerin kritik sıcaklıklarını belirlemeye yönelik ilk sistematik çalışma Rus bilim adamları M. P. Avenarius, A. I. Nadezhdin ve diğerleri tarafından gerçekleştirildi.

Avenarius, özel bir cihaz kullanarak eterin kritik durumunu inceledi. Hava banyosuna yerleştirilen bir tüpte eter kısmen sıvı, kısmen de buhar halindedir. Oda sıcaklığında, bu durumların her ikisi de içbükey bir sıvı menisküsüyle keskin bir şekilde sınırlandırılmıştır (eter camı ıslatır). Tüp ısıtıldığında içbükey arayüz yavaş yavaş düzleşir ve eterin 194 ° C'ye eşit kritik sıcaklığında hemen kaybolur. Bu sıcaklığın üzerinde tüpteki eter gaz halindedir. Bundan sonra tüpün kademeli olarak soğutulması, eterin kritik durumunu (tüpteki içerik kararacaktır) ve arkasında sıvı ve buharı ayıran bir sınırın görünümünü gözlemleyebilir.

Aşağıdaki tabloda bazı kimyasalların kritik sıcaklıkları ve kritik basınçları gösterilmektedir.

Kapalı bir kaba belirli bir miktar sıvı konursa, sıvının bir kısmı buharlaşacak ve sıvının üzerinde doymuş buhar bulunacaktır. Bu buharın basıncı ve dolayısıyla yoğunluğu sıcaklığa bağlıdır. Buharın yoğunluğu genellikle aynı sıcaklıktaki sıvının yoğunluğundan çok daha azdır. Sıcaklığı artırırsanız sıvının yoğunluğu azalır (§ 198), ancak basınç ve yoğunluk doymuş buhar artacak. Tabloda Şekil 22, farklı sıcaklıklar için (ve dolayısıyla karşılık gelen basınçlar için) su ve doymuş su buharının yoğunluk değerlerini göstermektedir. Şek. 497 aynı veriler grafik biçiminde sunulmaktadır. Grafiğin üst kısmı bir sıvının sıcaklığına bağlı olarak yoğunluğunun değişimini gösterir. Sıcaklık arttıkça sıvının yoğunluğu azalır. Grafiğin alt kısmı doymuş buhar yoğunluğunun sıcaklığa bağımlılığını göstermektedir. Buhar yoğunluğu artar. noktasına karşılık gelen sıcaklıkta, sıvının ve doymuş buharın yoğunlukları çakışır.

Pirinç. 497. Suyun yoğunluğunun ve doymuş buharının sıcaklığa bağlılığı

Tablo 22. Suyun ve doymuş buharının özellikleri farklı sıcaklıklar

Tablo, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, sıvının yoğunluğu ile doymuş buharının yoğunluğu arasındaki farkın o kadar küçük olduğunu göstermektedir. Belirli bir sıcaklıkta (suda) bu yoğunluklar çakışır. Sıvının ve doymuş buharının yoğunluklarının çakıştığı sıcaklığa maddenin kritik sıcaklığı denir. Şek. 497 noktaya karşılık gelir. Noktaya karşılık gelen basınca kritik basınç denir. Farklı maddelerin kritik sıcaklıkları büyük ölçüde değişir. Bunlardan bazıları tabloda verilmiştir. 23.

Tablo 23. Bazı maddelerin kritik sıcaklığı ve kritik basıncı

Kritik sıcaklığın varlığı neyi gösterir? Daha da yüksek sıcaklıklarda ne olur?

Deneyimler, kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda bir maddenin yalnızca gaz halinde olabileceğini göstermektedir. Kritik sıcaklığın üzerindeki bir sıcaklıkta buharın kapladığı hacmi azaltırsak, buharın basıncı artar, ancak doymuş hale gelmez ve homojen kalmaya devam eder: basınç ne kadar yüksek olursa olsun, ayrılmış iki durumu bulamayız. Buhar yoğunlaşmasından dolayı düşük sıcaklıklarda her zaman gözlemlendiği gibi keskin bir sınırla. Yani, eğer bir maddenin sıcaklığı kritik sıcaklığın üzerindeyse, o zaman sıvı halindeki maddenin ve onunla temas halindeki buharın dengesi herhangi bir basınçta mümkün değildir.

Bir maddenin kritik durumu, Şekil 2'de gösterilen cihaz kullanılarak gözlemlenebilir. 498. Daha yüksek ısıtılabilen (“hava banyosu”) pencereli bir demir kutu ve banyonun içine yerleştirilmiş eterli bir cam ampulden oluşur. Banyo ısıtıldığında ampuldeki menisküs yükselir, düzleşir ve sonunda kaybolur, bu da kritik bir durumdan geçişi gösterir. Banyo soğudukça, çok sayıda küçük eter damlacıklarının oluşması nedeniyle ampul aniden bulanıklaşır ve ardından eter, ampulün dibinde toplanır.

Pirinç. 498. Eterin kritik durumunu gözlemlemek için cihaz

Tablodan da anlaşılacağı üzere. 22, yaklaşırken kritik nokta özgül ısı buharlaşma giderek azalır. Bu durum sıcaklık arttıkça farkın azalmasıyla açıklanmaktadır. iç enerjiler Sıvı ve buhar halindeki maddeler. Aslında moleküllerin yapışma kuvvetleri moleküller arasındaki mesafelere bağlıdır. Sıvı ve buharın yoğunlukları çok az farklıysa, moleküller arasındaki ortalama mesafeler de çok az farklılık gösterir. Sonuç olarak, moleküllerin etkileşiminin potansiyel enerjisinin değerleri çok az farklılık gösterecektir. Buharlaşma ısısının ikinci terimi olan dış basınca karşı çalışma da kritik sıcaklığa yaklaşıldıkça azalır. Bu, buhar ve sıvının yoğunlukları arasındaki fark ne kadar küçük olursa, buharlaşma sırasında meydana gelen genleşmenin o kadar küçük olması ve dolayısıyla buharlaşma sırasında o kadar az iş yapılması gerçeğinden kaynaklanır.

Kritik sıcaklığın varlığına ilk kez 1860 yılında dikkat çekilmiştir. Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907), modern kimyanın temel yasasını keşfeden Rus kimyager - periyodik yasa kimyasal elementler. Kritik sıcaklık araştırmasındaki büyük başarılar, karbondioksitin kapladığı hacimdeki izotermal değişim sırasındaki davranışı hakkında ayrıntılı bir çalışma yürüten İngiliz kimyager Thomas Andrews'a aittir. Andrews, kapalı bir kapta daha düşük sıcaklıklarda, karbondioksitin sıvı ve gaz halinde bir arada bulunmasının mümkün olduğunu gösterdi; daha yüksek sıcaklıklarda böyle bir birliktelik imkansızdır ve hacmi ne kadar azalırsa azalsın kabın tamamı yalnızca gazla doldurulur.

Kritik sıcaklığın keşfinden sonra oksijen veya hidrojen gibi gazların neden uzun süre sıvıya dönüşemediği anlaşıldı. Kritik sıcaklıkları çok düşüktür (Tablo 23). Bu gazların sıvıya dönüştürülebilmesi için kritik sıcaklığın altına soğutulmaları gerekir. Bu olmadan, onları sıvılaştırmaya yönelik tüm girişimler başarısızlığa mahkumdur.